(57)【要約】【課題】近年高集積化する半導体集積回路の電流消費における熱エネルギーを効率よく再利用し、小型で、省電力を実現する半導体装置を提供する。【解決手段】半導体集積回路４を、配線基板２との間に挟み込むように配設した放熱板６を設けるとともに、該放熱板６に接するように熱発電素子７を配置することで、熱発電素子７において、半導体集積回路４の動作時の発熱を利用して発電することができ、熱エネルギーの再利用を行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体集積回路を配置した配線基板と、
前記半導体集積回路を前記配線基板との間に挟み込むように配設した放熱板と、
前記放熱板に接し、前記半導体集積回路と相対するように配置した熱発電素子とを備え、
前記熱発電素子は、前記放熱板と前記半導体集積回路との間に配置されることにより、前記半導体集積回路の動作時に発生する熱と前記放熱板による冷却による温度差を利用して電気を発電することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体集積回路を配置した配線基板と、
前記半導体集積回路を前記配線基板との間に挟み込むように配設した放熱板と、
前記放熱板に接し、前記半導体集積回路に対し外向きとなるように配置した熱発電素子とを備え、
前記熱発電素子は、前記半導体集積回路の動作時に発生する熱を前記放熱板が放熱する熱を利用し、電気を発電することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記熱発電素子と電気的に連結した充電制御回路及び蓄電素子を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体集積回路は、ディジタル回路とアナログ回路とを備え、
前記ディジタル回路の動作時に発生する熱を利用して発電する熱発電素子を電源として前記アナログ回路に電気を供給することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路の動作時に発生する熱エネルギーを電気エネルギーに変換して有効に活用し、省エネルギー効果を得る半導体装置の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯機器等の開発において機器が小型化する中、競合メーカから販売される製品との差別化を図るため機能の充実が求められており、それに伴い、更なる設計の効率化が必要となってきている。
また、携帯機器向けのワンセグ（地上ディジタル放送のワンセグメント部分受信サービス）が開始され、このワンセグにより機器の消費電力が増大したことに伴い、省エネルギーが開発の懸案事項となっている。
【０００３】
従来、電源を小型化するために、ゼーベック効果等を用いた熱発電素子が開発されており、熱を効率的に放熱するための放熱板を有した半導体パッケージ装置等が開発されている。ゼーベック効果とは、２つの異なる金属をつなげて、両方の接点に温度差を与えると、金属の間に電圧が発生し、電流が流れるというものである。
【０００４】
また更に、半導体集積回路上に、熱発電素子等をもモノリシックに形成する技術が開発されている。
【０００５】
熱発電素子に関する従来技術としては、図４に熱発電素子３０の構造を示すように、Ｐ型半導体からなるＰ型発電素子３１及びＮ型半導体からなるＮ型発電素子３２を、熱伝導性の良好な導電体３３を介して折り返しながら直列に多数接続して発電素子部３４を形成し、該発電素子部３４を挟むように、熱伝導性の良好な絶縁板３５を介して放熱板３６と、同様に絶縁板３５を介して吸熱板３７とを設けてなるものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
このような構成とすることにより、放熱板３６と吸熱板３７との間の温度差を利用したゼーベック効果に基づき、熱起電力を発生することができる。尚、放熱板３６及び吸熱板３７が電気的に絶縁体であれば、絶縁板３５を必ずしも設けなくてもよい。
【０００６】
また、半導体集積回路上に熱発電素子等をもモノリシックに形成する従来技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
その例として、図５に、半導体装置の構成例を模式的に表した斜視図を示す。図５（ａ）に示す半導体装置４０は、半導体基板４１の上に集積回路の形成された回路層４２を備え、回路層４２の上に、各々異なる種類の発電素子４３と発電素子４４とを備える。発電素子４３及び発電素子４４は、図示しない配線により回路層４２の集積回路に接続されている。
【０００７】
また、図５（ｂ）に示す半導体装置５０は、半導体基板５１の上に、集積回路が形成された回路領域５２を備え、半導体基板５１の他の領域に、各々異なる種類の発電素子５３と発電素子５４とを備える。発電素子５３及び発電素子５４は、図示しない配線により回路領域５２の集積回路に接続されている。これらの構成において、例えば、発電素子５３は熱電発電素子であり、発電素子５４は振動発電素子である。
【特許文献１】特開平８−３２１２７号公報
【特許文献２】特開２００５−３４０４７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されているような単独の熱発電素子においては、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための技術について述べられているが、効率的に半導体集積回路の熱エネルギーを再利用する方法までを特定しているものではない。
【０００９】
また、特許文献２に開示されている半導体集積回路上にモノリシックに該熱発電素子を形成する手法は、半導体集積回路上に超小型に集積できる技術としては有益であるが、必ずしも最良の方法とは限らない。熱発電素子は吸熱側の電極の温度と放熱側の電極の温度に差があって発電できるもので、放熱側の放熱効果が重要であるが、半導体集積回路は通常、樹脂等を用いてパッケージされた形態で使用する。上記のようなモノリシックな実現方法では、該熱発電素子の放熱端子側も樹脂で覆われてしまい、発電に必要な温度差を得るための放熱効果が緩和されてしまう。
【００１０】
また、特許文献２のモノリシックな半導体集積回路は実現可能ではあるが、通常の半導体集積回路上にさらに発電素子を形成することになるため、製造プロセスが制約される上、製造コストも上昇する。
【００１１】
また、モノリシック構成が目指すところのユビキタス端末等の携帯機器においては、もともとの半導体集積回路の消費電力は大きくなく、その動作によって発生する熱量も小さいものであり、モノリシック化による高価な素子を製造してもそのメリットは小さい。
【００１２】
本発明は、斯かる実情に鑑み、近年急激にディジタル信号処理量が増加しているコンシューマー機器の半導体集積回路の発熱を効率よく放熱するとともに、そのエネルギーを発電に利用し再活用することにより、小型で、省電力を実現する半導体装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
斯かる実情に鑑み、第１の発明による半導体装置は、半導体集積回路を配置した配線基板と、前記半導体集積回路を前記配線基板との間に挟み込むように配設した放熱板と、前記放熱板に接し、前記半導体集積回路と相対するように配置した熱発電素子とを備え、前記熱発電素子は、前記放熱板と前記半導体集積回路との間に配置されることにより、前記半導体集積回路の動作時に発生する熱と前記放熱板による冷却による温度差を利用して電気を発電することを特徴とする。
【００１４】
また、第２の発明による半導体装置は、半導体集積回路を配置した配線基板と、前記半導体集積回路を前記配線基板との間に挟み込むように配設した放熱板と、前記放熱板に接し、前記半導体集積回路に対し外向きとなるように配置した熱発電素子とを備え、前記熱発電素子は、前記半導体集積回路の動作時に発生する熱を前記放熱板が放熱する熱を利用し、電気を発電することを特徴とする。
【００１５】
また、第３の発明による半導体装置は、前記熱発電素子と電気的に連結した充電制御回路及び蓄電素子を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、第４の発明による半導体装置において、前記半導体集積回路は、ディジタル回路とアナログ回路とを備え、前記ディジタル回路の動作時に発生する熱を利用して発電する熱発電素子を電源として前記アナログ回路に電気を供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の半導体装置によれば、半導体集積回路を、配線基板との間に挟み込むように配設した放熱板を設けるとともに、該放熱板に熱発電素子を配置することで、近年高集積化する半導体集積回路の電流消費における熱エネルギーを効率よく再利用し、小型で、省電力を実現する半導体装置を実現することができる。
【００１８】
また、本発明の半導体装置は、モノリシックでない一般的な製造工程にて生産できる上、熱発電素子、蓄電素子等もそれぞれ最適な製造工程により製造され、半導体集積回路に何ら制約を与えないので、製造プロセスが制約せず、製造コストも抑えることができる。
【００１９】
また、近年はアナログ回路とディジタル回路とを混載する応用例が増加してきているが、本発明を適用することにより、アナログ／ディジタル混載集積回路において、アナログ用の低ノイズ電源回路を用意し、その電力を該熱エネルギーにより補完するように構成することで、該電源回路等による消費電力の増加を招くことなく低ノイズ電源を実現することを可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る半導体装置の実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明に係る半導体装置の断面図の一例である。
本実施例は、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）タイプのパッケージを例としているが、本発明は、このＢＧＡタイプに限定するものではない。
【００２１】
図１（ａ）は、半導体装置の断面図である。
図１（ｂ）は、半導体装置の放熱板の裏面を示す図である。
図１（ａ）の半導体装置１は、配線基板２の表面に配線パターン３が形成され、更に半導体集積回路４が搭載され、配線パターン３とワイヤー５に接続されている。前記半導体集積回路４を前記配線基板２との間に挟み込むように箱状の放熱板６が配設されている。該放熱板６の半導体集積回路４と相対する側の表面にも配線パターン３ａが形成されて、その上に熱発電素子７、充電制御回路８、蓄電素子９とが半田バンプ１０により接続されている。蓄電素子９は、二次電池である。
【００２２】
箱状の放熱板６の裏面縁部には配線パターン３ａと配線パターン３との接続用パッド１１ａが設けられており、パッド１１ａと配線パターン３は半田付けで接続されている。放熱板６の裏面縁部には放熱板６を配線基板２に固定するためのダミーパッド１１ｂが設けられている。このダミーパッド１１ｂは、パッド１１ａのように配線パターン３ａとは繋がっておらず、あくまで放熱板６を配線パターン３に半田付けにて固定するためのパッドである。
放熱板６には封止用樹脂の充填口１２が設けられており、上記接続が完了した時点で、この充填口１２から放熱板６の内部に封止樹脂が充填される。
【００２３】
前記放熱板６は、放熱効果のよい金属等を用い、図１（ａ）では箱状で、半導体集積回路４を包み込むような形状であるが、半導体集積回路４を配線基板２との間に挟み込む形状であれば、箱状でなく板状でもよい。板状の場合、パッケージに積載するような形状となる。また、箱状の場合でも、四隅について柱状の部分を残して空洞にし、該柱状の部分が板状の部分を支えるようにしていてもよい。前述のように柱状にして空洞を設けることで、放熱板６を配設後、封止を行うことができる。
【００２４】
図１（ｂ）に示すように、熱発電素子７に電力が発生すると、充電制御回路８にて、発電された電圧を整流・増幅し、蓄電素子９に電気が蓄えられる。蓄電素子９の出力は前記放熱板６上の配線パターン３ａの電源１１ａから行われ、例えば、配線基板２上の配線パターン３を通して半導体集積回路４に供給される。
【００２５】
ワイヤー５の接続に関して、図１は一例を示したものであって、接続構成が図に示したように限定されるものではない。半導体集積回路４は、ワイヤーを用いず、半田バンプ等により接続してもよい。熱発電素子７、充電制御回路８及び蓄電素子９の接続に関しても、図１は配線パターンによるものとしたが、これも一例であって、電気的に接続されていればよく、限定されるものではない。
【００２６】
前記熱発電素子７は、例えば、従来例で説明した図４と同様の構造となっており、熱発電素子の放熱材は、放熱板６と接し、該熱発電素子７の吸熱材は、半導体集積回路４と相対した方向となるように、該熱発電素子７は、放熱板６に配設されている。このような構成とすることで、半導体集積回路４の動作時の熱を、熱発電素子７の吸熱材で吸収し、熱発電素子７の放熱材が接している放熱板６を通して熱を放熱するので、熱エネルギーを効率よく利用し、発電することができる。
【００２７】
そして、放熱板６の半導体集積回路４に対して外向きとなる一面を除いて、半導体集積回路４、熱発電素子７、充電制御回路８及び蓄電素子９を覆うように、配線基板２の表面全体が樹脂１３で封止されている。更に、配線基板２の表面と裏面との電気的導通を達成するスルーホール１４が形成されていて、配線基板２の裏面にも半田パッド１５が形成されている。半田パッド１５部分に、半導体集積回路４からの入出力インターフェイスである半田ボール１６が接合されている。
【００２８】
このような構成とすることで、熱発電素子７は、半導体集積回路４の動作時に発生する熱と放熱板６による冷却による温度差を利用し、ゼーペック効果に基づき発電することができる。
【００２９】
本実施例のような構成であれば、熱発電素子７が半導体集積回路４の動作時の熱を利用して発電することができるとともに、熱発電素子７が放熱板６に直接接続しているので放熱効果が向上し、発電エネルギーをより高く得ることができる。
【００３０】
また、本発明に係る半導体装置は、モノリシックな一体形成ではなく、それぞれの熱発電素子等が最適な製造技術により製造されるものであり、半導体集積回路４に対し何ら制約を与えないので、製造プロセスが制約せず、製造コストも抑えることができる。
【００３１】
基本的には、放熱板６に接し、半導体集積回路４に相対するように、動作電力による発熱を電気エネルギーに変換するために、熱発電素子７を配置する。本例では、応用、集積度を考え、熱発電素子、充電制御回路及び蓄電素子等を同一パッケージに集積したが、充電制御回路及び蓄電素子等を同一パッケージに集積しなくてもよい。
【００３２】
また、熱発電素子７を、放熱板６に接し、半導体集積回路４と相対するように配置したが、放熱板６に接し、半導体集積回路４に対して外向きとなるように配置してもよい。
【００３３】
この場合、熱発電素子７の吸熱材が、放熱板６と接し、該熱発電素子７の放熱材は、半導体集積回路４に対して外向きとなるように、該熱発電素子７は、放熱板６に配設されている。
【００３４】
このような構成とすることにより、前記半導体集積回路４の動作時に発生する熱を前記放熱板６が放熱し、その熱を熱発電素子７の吸熱材で吸収し、該熱発電素子７の放熱材で半導体装置１の外側に向かって放熱することによって電気を発電することができる。
【００３５】
図２は、熱発電素子、充電制御回路及び蓄電素子の配置例を示したものである。
図２（ａ）は熱発電素子７のみ同一パッケージ１７に集積した例、図２（ｂ）は熱発電素子７及び充電制御回路８を同一パッケージ１７に集積した例、図２（ｃ）は熱発電素子７、充電制御回路８及び蓄電素子９を同一パッケージ１７に集積した例を示している。図２中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表わす。
また、例示した充電制御回路８を半導体集積回路４内に形成することも可能である。
また、蓄電素子９に蓄えられた電気は、半導体集積回路４にて用いる例で説明したが、半導体集積回路４で用いることに限定するものではない。
【００３６】
このように形成することで、内蔵した熱発電素子７からの電気エネルギーについて、その応用にあわせて外部の大容量の蓄電素子９等を利用でき、その応用は拡大される。
【００３７】
また、近年は半導体集積回路４においては大規模なディジタル回路とアナログ回路とを混載することが多くなってきている。このような回路において本発明を適用することで、省電力且つ低ノイズを実現する半導体装置を実現することができる。その実施例を図３に示す。
【００３８】
図３中、図１及び図２と同一の符号を付した部分は同一物を表わす。図３において、半導体集積回路４の中に、アナログ回路１８、及びディジタル回路１９が配置され、アナログ回路１８へ電源を供給するアナログ用電源回路２０が配置されている。該アナログ用電源回路２０に電気を供給する熱発電素子７、充電制御回路８及び蓄電素子９が電気的に接続されている。
【００３９】
図１と同様に、配線基板２に搭載したディジタル回路１９部分を配線基板２との間に挟みこむように配設した放熱板６に接し、ディジタル回路１９と相対するように、熱発電素子７を配置することにより、ディジタル回路１９の動作時の発熱を熱発電素子７の発電に利用することができる。
【００４０】
本実施例は、熱発電素子７のみ同一のパッケージ１７に集積しているが、これは先の実施例にも示すとおり、本構成に限定されるものではない。充電制御回路８、蓄電素子９又はアナログ用電源回路２０を同一パッケージ１７内に集積してもかまわない。
【００４１】
アナログ回路１８は、その電源に混入されるノイズ等によってその性能に影響を受けてしまう。特に、アナログ回路１８が大規模なディジタル回路１９と混載されている場合、ディジタル回路１９からくる電源ノイズをアナログ回路１８に伝播させないことが重要となってくる。
これに対する対策として、アナログ回路１８の電源をディジタル回路１９の電源ノイズを伝播させないために通常別電源とし、レギュレータ等の電源回路から供給することが多い。
しかし、このような場合、アナログ用電源回路２０が消費する電力によって総電力量が増加してしまうことが考えられる。一方で、大規模なディジタル回路部分は、動作時にその消費電力により発熱源となる。
【００４２】
然るに、このような場合において、本発明の熱発電素子７、充電制御回路８及び蓄電素子９からなる電源回路をアナログ用電源回路２０の電源とすることで、アナログ用電源回路２０の消費電力を補完することができる。
【００４３】
前記のように、ディジタル回路１９による発熱を利用して熱発電素子７で発電することにより、アナログ用電源回路２０の電力とすることができ、効率よく熱エネルギーを再利用し、省電力を実現することができるのである。
【００４４】
また、アナログ回路１８とディジタル回路１９の電源を別にすればよいので、アナログ用電源回路を使わす、蓄電素子９とアナログ回路１８を接続し、直接蓄電素子９からアナログ回路１８に電気を供給するようにしてもよい。
【００４５】
本発明によれば、該ディジタル回路の発熱によるエネルギーを熱発電素子７により電気エネルギーに変換し、それをアナログ用電源回路２０を通してディジタル・ノイズの少ない電源としてアナログ回路１８で再利用することが可能となる。
【００４６】
これによって、前記アナログ用電源回路の電気の消費分、又はアナログ回路の消費電力を補うことができ、省電力を実現することができる。
【００４７】
本実施例はその一例を示すものであり、アナログ回路の電力を全て熱発電エネルギーで賄うか、外部電源の補完として省電力を実現するかを規定するものではない。
【００４８】
尚、本発明の半導体装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】（ａ）は、本発明に係る半導体装置の断面図の一例を示す図である。（ｂ）は、本発明に係る半導体装置の放熱板の裏面を示す図である。
【図２】本発明に係る半導体装置の構成の例を示す図である。
【図３】本発明に係る半導体装置の構成の例を示す図である。
【図４】従来の熱発電素子の構成を示す図である。
【図５】従来の半導体装置の構成の例を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  半導体装置
２  配線基板
３、３ａ  配線パターン
４  半導体集積回路
５  ワイヤー
６  放熱板
７  熱発電素子
８  充電制御回路
９  蓄電素子
１０  半田バンプ
１１ａ、１１ｂ  パッド
１２  充填口
１３  封止樹脂
１４  スルーホール
１５  半田パッド
１６  ハンダボール
１７  パッケージ
１８  アナログ回路
１９  ディジタル回路
２０  アナログ用電源回路
３０  熱発電素子
３１  Ｐ型発電素子
３２  Ｎ型発電素子
３３  導電体
３４  発電素子部
３５  絶縁板
３６  放熱板
３７  吸熱板
４０、５０  半導体装置
４１、５１  半導体基板
４２  回路層
５２  回路領域
４３、４４、５３、５４  発電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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